2015年5月26日，潘建偉在中科大青島研究院的實驗室里調(diào)試設(shè)備張端攝/本刊
“九章”和“祖沖之二號”的成果，促使我國成為目前惟一在兩種化學體系都實現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”的國家，牢靠確立了量子估算研究國際第一方陣的地位
2016年8月，“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星發(fā)射升空，標志著我國邁向全球量子通訊研究的推動地位。2020年12月，中國科學技術(shù)學院宣布該校潘建偉等成功建立76個光子的量子估算靶機“九章”，使我國成為全球第二個實現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”的國家。2021年10月，113個光子144模式的量子估算靶機“九章二號”宣布誕生。
從“墨子號”到“九章二號”，中國科大學教授潘建偉心里不變的是對量子世界的探求和對我國量子科技發(fā)展的追求。
潘建偉告訴《瞭望》新聞周刊，量子科技關(guān)乎國家戰(zhàn)略，心懷“國之大者”，惟有不斷突破創(chuàng)新，要努力探求愈發(fā)靈活高效、資源整合的協(xié)同創(chuàng)新之路，使我國量子科技發(fā)展一直走在世界前列。
“中國人一樣可以做好科研”
《瞭望》：為什么給世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星取名“墨子號”？
潘建偉：如今看發(fā)射錄象覺得很輕松，但畢竟在發(fā)射前30秒，我仍然右手合十，希望衛(wèi)星能成功步入太空。給這顆衛(wèi)星起名“墨子號”，是由于墨子是中國歷史上的“科圣”，想告訴你們：中國人一樣可以做好科研。
墨子生活在2400年前，他主張仁政、非攻，也就是平等博愛、反對戰(zhàn)爭。他在《墨經(jīng)》里提出“止，以久也，無久之不止”，說的是一個物體之所以會停出來，主要由于遭到力的作用量子傳輸 設(shè)備，假如沒有阻力的話，一個物體的運動是永遠不會停止的，這顯然與牛頓第一運動定理是相同的概念。據(jù)悉，墨子在2000多年前就做過小孔成像實驗。我們曉得光只有順著直線傳播就會有此類現(xiàn)象。
我們將世界上首顆量子科學實驗衛(wèi)星起名為“墨子號”，一方面是為了記念墨子在光學研究方面取得的成就，同時也為展現(xiàn)我們的文化自信。
《瞭望》：“墨子號”起到了哪些樣的作用？
潘建偉：借助量子衛(wèi)星構(gòu)建量子通訊網(wǎng)路，可以在全球范圍內(nèi)覆蓋各種海島、遠洋船舶、駐外機構(gòu)等光纖無法或則未能抵達的地方，保障我國在全球范圍的信息傳輸安全?！澳犹枴钡膶嶒灣浞烛炞C了這一可行性。
“墨子號”已順利完成三大科學實驗任務。在此基礎(chǔ)上，又完成了“墨子號”和“京滬干線”的對接，實現(xiàn)了洲際量子保密通訊。據(jù)悉，“墨子號”還對量子熱學與引力的融合等數(shù)學學基本問題檢驗提供了新的平臺。
量子估算研究坐落國際第一方陣
《瞭望》：成功建立量子估算靶機“九章”的意義是哪些？
潘建偉：按照當時最優(yōu)的精典算法恐怕，“九章”對高斯玻色采樣問題的估算速率，比世界最快的超級計算機“富岳”快一百萬億倍，因而在全球第二個實現(xiàn)了“量子估算優(yōu)越性”。起名“九章”，則是為了記念中國唐代知名物理著作《九章算術(shù)》。
實現(xiàn)2020年此次突破，我們雖然歷經(jīng)了20年的努力?！熬耪隆钡耐黄?，主要攻破了三大技術(shù)難關(guān)：高品質(zhì)量子光源、高精度鎖相技術(shù)、規(guī)?；缮婕夹g(shù)。
去年以來，我們團隊進行了一系列概念和技術(shù)創(chuàng)新，近日成功研發(fā)出“九章二號”。我們主要有三大突破，首先明顯增強了量子光源的豐度、品質(zhì)和搜集效率，將光源關(guān)鍵指標從63%提高到92%。其次，將多光子量子干涉線路從100維度降低到144維度，操縱的光子數(shù)從76個降低到113個。第三，新增了可編程功能。
結(jié)果顯示，“九章二號”的算力實現(xiàn)巨大提高。按照目前已發(fā)表的最優(yōu)精典算法，“九章二號”求解高斯玻色采樣問題的處理速率，比全球最快的超級計算機快億億億倍，比76個光子的“九章”快100億倍。目前的“九章二號”還只是“單項季軍”，只能求解高斯玻色采樣這一特定問題，但對這一問題的求解在數(shù)論、量子物理等領(lǐng)域具有潛在應用價值。
《瞭望》：量子估算包括多條技術(shù)路線，我國在超導量子估算上的布局是如何的？
潘建偉：不僅光量子估算，我們在超導量子估算方向也有較好的布局。
去年5月，我們建立了當時超導量子比特數(shù)量最多的62比特超導量子估算靶機“祖沖之號”，實現(xiàn)了可編程的二維量子行走。在“祖沖之號”的基礎(chǔ)上，我們采用全新的倒裝焊3D封裝工藝，解決了大規(guī)模比特集成的問題，研發(fā)成功“祖沖之二號”，實現(xiàn)了66個數(shù)據(jù)比特、110個耦合比特、11路讀取的青州度集成。通過量子編程的方法，我們實現(xiàn)了對量子隨機線路采樣，演示了“祖沖之二號”可用于執(zhí)行任意量子算法的編程能力。按照目前已公開的最優(yōu)化精典算法，“祖沖之二號”對量子隨機線路采樣問題的處理速率比目前最快的超級計算機快千萬倍以上，比微軟的同類型靶機“懸鈴木”快約四萬倍。
“九章”和“祖沖之二號”的成果，促使我國成為目前惟一在兩種化學體系都實現(xiàn)“量子估算優(yōu)越性”的國家，牢靠確立了量子估算研究國際第一方陣的地位。
奮進量子信息戰(zhàn)略技術(shù)
《瞭望》：量子信息技術(shù)發(fā)展會給我們帶來哪些？
潘建偉：量子信息技術(shù)除了是我國的戰(zhàn)略技術(shù)，也早已成為歐美主要發(fā)達國家的重要戰(zhàn)略布局。正如晶體管是計算機的基礎(chǔ)，激光技術(shù)是現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的重要支撐，導航技術(shù)的發(fā)展離不開原子鐘等精密檢測技術(shù)的支撐……量子熱學的構(gòu)建直接催生了現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過百余年的發(fā)展歷程，量子熱學早已為解決我們目前遇見的一些問題做好了技術(shù)上的儲備。
量子通訊提供了原理上無條件安全的通訊方法，可以急劇提高現(xiàn)有信息系統(tǒng)的安全性。
量子估算的估算能力隨著量子比特數(shù)量的降低呈指數(shù)下降。量子估算并行運算的能力，可用于大數(shù)分解、求解線性多項式組等。如借助萬億次精典計算機分解300位的大數(shù)，須要15萬年，并且借助萬億次量子計算機，只須要一秒。為此，量子估算凸顯出強悍的潛能，可用于精典的密碼破譯、氣象預報、金融剖析、藥物設(shè)計、揭示新能源新材料機制等等多種應用。
《瞭望》：你接出來的目標是哪些？
潘建偉：在量子估算領(lǐng)域，國際學術(shù)劃分義了3個階段性的目標，第一階段目標已然達到了。第二階段是完成量子糾錯的原理實現(xiàn)，研發(fā)相干操縱數(shù)百個量子比特的專用量子模擬機，應用于組合優(yōu)化、量子物理、機器學習等特定問題，指導材料設(shè)計、藥物開發(fā)等。達到該階段須要5至10年量子傳輸 設(shè)備，是當前的主要研究任務。
在量子通訊領(lǐng)域，我們希望通過10到15年的努力，發(fā)展出完整的天地一體廣域量子通訊的相關(guān)技術(shù)，并促使量子通訊在金融、政務、能源等領(lǐng)域的廣泛應用。同時，借助廣域量子通訊發(fā)展下來的高精度光量子傳輸技術(shù)和空間量子科學實驗平臺，建立高精度的時間頻度傳輸網(wǎng)路，對下一代“秒”定義做出重要貢獻。在此基礎(chǔ)上，我們希望才能舉辦對引力波偵測、暗物質(zhì)搜索等化學學基本問題的研究。